Расчет элементов стальных конструкций на прочность с учетом хрупкого разрушения (проверка на хладостойкость)

Основные факторы, способструющие хрупкому разрушению:

· пониженая температура эксплуатации (доминирующий фактор)

· наличие растягивающих напряжений

· концентрация напряжений

· ударный характер нагрузки

· наличие остаточных сварочных напряжений

· дефекты структуры стали.

Можно выделить:

1. вязкое (пластическое) разрушение с матовой, волокнистой поверхностью излома 50%≤В≤100%, где В – волокнистость.

2. Хрупкое разрушение, поверхность излома имеет характерный кристаллический блеск, В=0

3. Квазихрупкое (промежуточное) разрушение 0%≤В≤50%,

Различают:

Первую критическую температуру t₁, соответствующую переходу от вязкого разрушения к квазихрупкому.

Первую критическую температуру t₂, соответствующую переходу от квазихрупкого разрушения к хрупкому.

Проверку производят для центрально растянутых элементов, а также для зон растяжения изгибаемых, внецентренно растянутых и внецентренно сжатых стержней по расчетным нагрузкам без динамического коэффициента при :

, где

Ru – расчетное сопротивление стали по пределу прочности.

γu=1,3 – коэффициент условий работы.

β- коэффициент понижения расчетного сопротивления. Учитывающий возможность хрупкого разрушения стали

β=1 при температуре эксплуатации tэкс ≥ t_1;

β=(0.7–0.8) при tэкс= t₂

β=(от1 до 0.7–0.8) при _;t₂ <tэкс< t₁

Чем тоньше прокат и выше прочность, тем выше хладостойкость.

Если условие хладостойкости не выполняется, хладостойкость стремятся повысить не увеличивая площадь поперечного сечения, а путем снижения концентрации напряжений, примениния более тонкого проката, более холодостойкой стали, изменения технологии изготовления.

ГЛАВА 3. СВАРКА И СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Сварка. Классификация сварки.

Сварка – процесс получения неразъемных соединений путём установки межатомных связей между соединяемыми элементами при их местном нагревании или пластической деформации, или совместном действии того и другого, обеспечивающий необходимую прочность и пластичность сварного соединения.

По физическим признакам сварку классифицируют:

· по форме используемой энергии определяется класс сварки

· по виду источника энергии определяется вид сварки

В соответствии с ГОСТ 19521-79 различают 3 класса сварки:

· термический – осуществляется плавлением: электродуговая, электрошлаковая, электронно-лучевая, плазменная, газовая и т.д.

· термо-механический, использующий тепловую энергию и давление: контактная, диффузионная, газопрессовая

· механический, использующий механическую энергию и давление: холодная, взрывом, трением, ультразвуковая и т.д.

В строительстве чаще всего применяется электродуговые виды сварки плавящимся электродом:

· ручная

· механизированная (полуавтоматическая)

· автоматическая,

а также контактные виды сварки:

· точечная

· шовная

· стыковая

Электродуговая сварка основана на явлении возникновения электрической дуги между стальным стержнем (электродом) и свариваемыми стальными деталями, которая расплавляет основной металл и металл электрода, образуя сварной шов, соединяющий отдельные детали в одно целое. При этом выявляются три зоны:

- зона основного металла, с температурой нагрева не выше критической t◦=723°С, в которой металл сохраняет свои механические свойства

- переходная (околошовная) зона, или зона термического влияния, расположена между основным и наплавленным металлом. t° изменяется от 1500°с до 723°С.

В зоне с t=1000-1100°С происходит рост кристаллов, образуется грубая крупно-зернистая структура, ухудшаются механические качества. Переходная зона – самое слабое место шва.

- зона наплавленного металла.

Проникновение наплавленного металла в основной называется проваром. Чем глубже провар, тем лучше качество шва. Обычно глубина провара – 1,5-2 мм. Особенно важно, чтобы необходимая глубина провара была в корне угловых швов, подвергающихся переменным нагрузкам.

В процессе сварки под действием неравномерного нагрева и охлаждения металла в свариваемом изделии возникают внутренние сварочные напряжения и деформации. Сварочные напряжения изменяют напряженное состояние конструкции, возникающее от внешней нагрузки, создают плоскостное или объемное напряженное состояние, способствующее появлению хрупкости в металле. Сварочные напряжения могут быть настолько большими, что вызывают разрушение металла шва или конструкции, особенно при неправильном конструктивном решении соединения. Сварочные деформации вызывают искривление и коробление отдельных элементов конструкции и изделия в целом. Особенно большие и опасные сварочные напряжения возникают при сварке встык деталей, закрепленных от свободных перемещений. Сварочные напряжения вызывают продольную и поперечную усадку швов. Усадка швов происходит всегда «на себя» (к центру шва).

Наиболее неблагоприятна поперечная усадка, величина которой примерно в 10 раз больше продольной. Остаточные напряжения сварной конструкции складываются с напряжениями от внешней нагрузки. Сварочные напряжения в настоящее время расчетом не учитывают. Основанием для этого служат пластические свойства металла: напряжения при достижении предела текучести R_yn не увеличиваются, и происходит их выравнивание.

На прочность сварных соединений существенно влияют структура шва, а также встречающиеся в нем неметаллические включения (шлаковины или мелкие газовые пузыри, появляющиеся при остывании шва). Внутренние микропоры создают объемную концентрацию напряжения, увеличивая хрупкость шва. Появление трещин внутри шва недопустимо. Различают горячие и холодные сварные трещины. Горячие трещины иногда возникают при остывании шва в температурном интервале 1000-1350°С. Горячие трещины, вначале часто незаметные, обладают способностью увеличиваться, особенно при воздействии динамической нагрузки, и могут полностью разрушить соединение; поэтому они являются весьма опасными. Появление горячих трещин зависит от химического состава стали, от ее структуры, от скорости отвода тепла. Низколегированные стали меньше страдают от горячих трещин; весьма благоприятны спокойные стали. Зато в кипящих сталях трещины появляются достаточно часто, причем с повышением количества углерода опасность появления горячих трещин увеличивается. Всякие концентраторы напряжений, как например, непровар в корне шва или сварка при низких температурах способствует появлению горячих трещин. Возможность появления горячих трещин является основной причиной, требующей применения в ответственных сварных конструкциях спокойной стали. Холодные трещины большей частью являются результатом растягивающих напряжений в швах от усадки при быстром остывании. Эти трещины располагаются параллельно шву на некотором расстоянии от него, в области сравнительно низких температур. Холодные трещины наиболее свойственны кипящей стали. Содержание углерода в стали выше 0,2 % также способствует появлению холодных трещин

Термический класс сварки.

1. Ручная дуговая сварка (РДС)

Сущность метода: электрическая дуга горит между электродом и изделием, теплота дуги расплавляет электрод и металл; образуется общая сварочная ванна жидкого металла, который при охлаждении образует сварной шов.

Сварка открытым электродом (проволокой) и незащищенной дугой дает недоброкачественные швы, т.к. в расплавленный металл шва попадает кислород, образующий окислы, и азот, образующий нитриды, вследствие чего шов становится хрупким.

(Производится электродами диаметром 26 мм)

Для образования защитной газовой среды вокруг шва и для образования в жидкой ванне металла шлака, на электроды наносят обмазку.

Шлак, образующийся из обмазки, раскисляет и очищает металл, а также образует шлаковую корочку, предохраняющую горячую поверхность шва от соприкосновения с воздухом и окисления.

Электроды подразделяются на типы и марки (ГОСТ 9467-75*)

Тип электрода определяет прочность металла шва в кН/см² (например, Э42, Э42А, Э50, Э50А)

Буква А означает повышенную пластичность металла шва.

Электрод выбирают в зависимости от классов стали свариваемых элементов.

Марка электрода определяется составом защитной обмазки, выбирается в зависимости от тока (переменный или постоянный) и положения шва в пространстве.

2. Автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДСф)

Осуществляется самоходным сварочным аппаратом, позволяет получить наиболее качественный шов. Для сварки используют сварочную проволоку сплошного сечения и различные флюсы, а также порошковую проволоку. Порошковая проволока – металлическая оболочка из стальной ленты толщиной 0,2-0,5 мм, заполненная шихтой специального состава

Выбор материалов – в зависимости от группы конструкций, климатического района, класса стали.

3. Механизированная дуговая сварка в углекислом газе (МДСсо₂)и порошковой проволокой (МДСпп), или полуавтоматическая сварка, сварочный аппарат движется вручную, электродная проволока подается автоматически.

Выполняют: а) электродной проволокой с газовой защитой сварочной ванны или б) порошковой проволокой.

В качестве газа используется углекислый газ, который значительно улучшает качество и прочность шва.

В связи с отсутствием расплавленного шлака, раскислители и легирующие элементы вводят в металл сварочной ванны за счет сварочной проволоки.

Электрошлаковая сварка (ЭШС)

Процесс плавления основного и электродного металла происходит за счет тепла, выделяемого в расплавленном флюсе – шлаке при прохождении через него электрического тока, который поддерживает в жидкой сварочной ванне t°=2000-2500°С.

ЭШС применяется при сварке деталей вертикальными швами с принудительным формирование шва.

Газовая сварка – для соединения тонколистового металла, сварки цветных металлов, Al, свинца, ремонтной наплавки износившихся элементов строительных машин.

Источник тепла – сварочное пламя газовой горелки, которая образуется при сгорании горючего газа (чаще – ацетилена С₂Н₂) в кислороде.

t° сгорания достигает

- метан 2150 °С

- пропан + бутан 2400 °С

- ацетилен 3400 °С

Более широкая зона теплового воздействия газовой сварки приводит к увеличению сварочных напряжений и деформаций по сравнению с электродуговой сваркой.

3.3 Термо–механический класс сварки

В строительстве применяются контактные виды электросварки

- точечная для изготовления арматурных сеток

- шовная (валиковая) – для конструкций из тонколистовой стали.

-стыковая – для присоединения труб, стержневых элементов, уголков, швеллеров и т.п.

Это сварка давлением, основана на нагреве и пластическом деформировании соединяемых элементов. Нагрев металла осуществляется электротоком, проходящим через контактирующие детали. Сварку выполняют без использования присадочного материала.

Дата добавления: 2014-01-07